RF uygulamaları ve yüksek hızlı sinyalleri içeren sistemler de dahil olmak üzere tüm güç elektroniği endüstrisi, giderek daha küçük alanlarda giderek daha karmaşık işlevsellik sağlayan çözümlere doğru ilerliyor. Tasarımcılar, etkin termal yönetim de dahil olmak üzere sistem boyutu, ağırlık ve güç gereksinimlerini karşılamada giderek daha zorlu zorluklarla karşı karşıya kalıyor ve bu da PCB tasarımıyla başlıyor.
Yüksek düzeyde entegre edilmiş aktif güç cihazları (örn. MOSFET transistörleri) büyük miktarlarda ısı yayar ve mümkün olduğunca verimli çalışması için en sıcak bileşenlerden ısıyı toprağa veya ısı emici yüzeyine aktarabilen PCB'lere ihtiyaç duyar. Termal stres, performans düşüşüne neden olabileceğinden ve hatta sistem arızasına veya arızasına yol açabileceğinden, güç cihazı arızasının ana nedenlerinden biridir. Cihaz güç yoğunluğunun hızlı büyümesi ve artan frekans, elektronik bileşenlerde aşırı ısınmanın ana nedenleridir. Geniş bantlı malzemeler gibi daha düşük güç kaybı ve daha iyi termal iletkenliğe sahip yarı iletkenler giderek daha yaygın olarak kullanılırken, etkin termal yönetim ihtiyacını ortadan kaldırmak için tek başına yeterli olmamaktadır.
Mevcut silikon bazlı güç cihazları, yaklaşık 125 derece ile 200 derece arasındaki bağlantı sıcaklıklarında elde edilebilir. Bununla birlikte, cihazın bu sınırlayıcı koşulu aşmadan çalışmasına her zaman izin verilmesi, böylece cihazın hızlı eskimesinin önlenmesi ve kalan ömrünün kısaltılması istenmektedir. Aslında, yanlış termal yönetimin çalışma sıcaklığında 20 derecelik bir artışa yol açması durumunda, bileşenin kalan ömründe ortaya çıkan azalmanın yüzde 50 kadar olacağı tahmin edilmektedir.
Düzen Kablolama (yerleşim) Metodolojisi
Birçok projede kullanılan yaygın bir termal yönetim yöntemi, devre düzeninin termal optimizasyonuna odaklanan, ucuz ve işlenmesi kolay bir malzeme olan standart alev geciktirici sınıf 4 (FR-4) alt tabakanın kullanılmasıdır.
Kullanılan ana önlemler, daha kalın hizalamalar kullanarak ek bakır yüzeyler sağlamayı ve en fazla ısı üreten bileşenlerin altına ısı alıcıları yerleştirmeyi içerir. Daha fazla ısıyı dağıtmak için daha radikal bir teknik, PCB'ye veya genellikle bir madeni para şeklinde olan en dış katmana gerçek bir bakır blok yerleştirmeyi veya uygulamayı içerir, dolayısıyla "bakır madeni para" adı. Bakır madeni para ayrı olarak işlendikten sonra lehimlenebilir veya doğrudan PCB'ye takılabilir veya iç katmana yerleştirilebilir ve ısı emici aracılığıyla dış katmana bağlanabilir. Şekil 1'de gösterilen PCB, bir bakır madeni parayı yerleştirmek için özel bir boşlukta yapılmıştır.
Bakır, alüminyum için 225 W/mK ve FR-4 için 0,3 W/mK ile karşılaştırıldığında 380 W/mK'lik bir termal iletkenliğe sahiptir. Bakır, PCB üretiminde yaygın olarak kullanılan nispeten ucuz bir metaldir; bu nedenle, bakır madeni paralar, ısı emici delikler ve zemin katmanları yapmak için idealdir - tümü ısı dağılımını iyileştiren çözümler.
Aktif cihazların panoya doğru şekilde yerleştirilmesi, sıcak noktaların oluşmasını önlemede ve böylece ısının panoya mümkün olduğunca eşit bir şekilde dağılmasını sağlamada önemli bir faktördür. Bu bağlamda, aktif cihazlar belirli bir sırada PCB'nin etrafına dağıtılmalı, böylece belirli alanlarda sıcak noktaların oluşması önlenmelidir. Ancak, çok fazla ısı üreten aktif cihazları kartın kenarlarına yerleştirmekten kaçınmak en iyisidir. Bunun yerine, tahtanın merkezine mümkün olduğunca yakın yerleştirilmeli, böylece eşit ısı dağılımını kolaylaştırmalıdır. Kartın kenarına yakın yüksek güçlü aygıtlar kurulursa, kenarda ısı biriktirecek ve böylece yerel sıcaklığı artıracaktır. Öte yandan, levhanın merkezine yakın yerleştirilirlerse, ısı yüzey boyunca her yöne dağılır, bu da sıcaklığı düşürmeyi ve ısıyı dağıtmayı kolaylaştırır. Güç cihazları, hassas bileşenlerin yakınına yerleştirilmemeli ve birbirlerinden düzgün aralıklarla yerleştirilmelidir.
Yerleşim düzeyinde alınan önlemler, aktif soğutma ve pasif soğutma sistemleri (soğutucular veya fanlar gibi) kullanılarak daha da iyileştirilebilir - bu tür sistemler, ısıyı doğrudan panoya yaymak yerine aktif cihazlardan çıkarabilir. Genel olarak tasarımcılar, belirli uygulamanın gereksinimlerine ve mevcut bütçeye bağlı olarak farklı termal yönetim stratejileri arasında doğru uzlaşmayı bulmalıdır.
PCB Substrat Seçimi
FR{{0}}, düşük termal iletkenliği nedeniyle (0,2 ile 0,5 W/mK arasında) büyük miktarlarda ısı yayılımını gerektiren uygulamalar için genellikle uygun değildir. Yüksek güç devrelerinde üretilen ısı önemli olabilir ve bu sistemler genellikle zorlu ortamlarda ve aşırı sıcaklıklarda çalışır. Daha yüksek termal iletkenliğe sahip alternatif bir alt tabaka malzemesi kullanmak, geleneksel FR-4 kullanmaktan daha iyi bir seçim olabilir.
Örneğin seramik malzemeler, yüksek güçlü PCB'lerin termal yönetimi için önemli avantajlar sunar. Bu tür malzemeler, termal iletkenliği iyileştirmenin yanı sıra, mükemmel mekanik özelliklere de sahiptir ve bu nedenle, tekrarlanan termal döngü sırasında biriken gerilimleri telafi etmeye yardımcı olur. Ayrıca seramik malzemeler, 10 GHz'e kadar olan frekanslarda düşük bir dielektrik kaybına sahiptir. Daha yüksek frekanslar için, aynı düşük kayıpları sağlayan ancak termal iletkenlikte orta derecede bir azalma sağlayan hibrit malzemeleri (örn. PTFE) seçmek her zaman mümkündür.
Malzemenin ısıl iletkenliği ne kadar yüksek olursa, ısı transferi o kadar hızlı olur. Bu nedenle, alüminyum gibi metaller seramikten daha hafif olmanın yanı sıra, ısıyı bileşenlerden uzaklaştırmak için mükemmel bir çözüm sunar. Özellikle alüminyum aynı zamanda mükemmel bir iletkendir, mükemmel dayanıklılığa sahiptir, geri dönüştürülebilir ve toksik değildir. Yüksek ısı iletkenliği nedeniyle metal katman, ısının pano boyunca hızlı bir şekilde aktarılmasına yardımcı olur. Bazı üreticiler ayrıca, her iki dış katmanın da metal kaplı, genellikle alüminyum veya galvanizli bakır olduğu metal kaplı PCB'ler sunar. Alüminyum, ağırlık başına maliyet açısından en iyi seçimdir, bakır ise daha yüksek termal iletkenliğe sahiptir. Alüminyum ayrıca yüksek güçlü LED'leri destekleyen PCB'leri yapmak için yaygın olarak kullanılır (Şekil 2'deki örnekte gösterildiği gibi), burada ışığı alt tabakadan uzağa yansıtma özelliği de özellikle yararlıdır.
Gümüş bile bakırdan yaklaşık yüzde 5 daha yüksek termal iletkenliği nedeniyle hizalamalar, yollar, pedler ve metal katmanlar oluşturmak için kullanılabilir. Ek olarak, kart zehirli gazların bulunduğu nemli bir ortamda kullanılıyorsa, çıplak bakır hizalamalarında ve bakır lehim pedlerinde gümüş kaplamaların kullanılması, bu tür ortamlarda bilinen tipik bir tehdit olan korozyonu önlemeye yardımcı olacaktır.
Yalıtılmış metal alt tabakalar (IMS) olarak da bilinen metal PCB'ler, FR-4 alt tabakaları ve metal çekirdekleri olan panolar oluşturmak için doğrudan PCB'ye lamine edilebilir. Derinlik kontrollü kablolama ile tek ve çift katmanlı teknolojiler kullanılır, bu sayede ısı, yerleşik bileşenlerden daha az kritik alanlara aktarılabilir. IMS PCB'lerde, bir metal substrat ve bir bakır folyo arasına termal olarak iletken fakat elektriksel olarak yalıtkan ince bir dielektrik tabakası lamine edilir. Bakır folyo istenen devre modeline kazınır ve metal alt tabaka bu ince dielektrik aracılığıyla devreden ısıyı emer.
IMS PCB'lerin sunduğu başlıca avantajlar aşağıdaki gibidir.
-Standart FR-4 yapılarından önemli ölçüde daha yüksek ısı dağılımı.
-Dielektriğin termal iletkenliği tipik olarak sıradan epoksi camınkinden 5 ila 10 kat daha yüksektir.
-Isı transfer verimi geleneksel PCB'lerden çok daha yüksektir.
LED teknolojisine (aydınlatılmış işaretler, ekranlar ve aydınlatma) ek olarak, IMS PCB'ler otomotiv endüstrisinde (farlar, motor kontrolleri ve hidrolik direksiyon), güç elektroniğinde (DC güç kaynakları, invertörler ve motor kontrolleri), anahtarlarda ve yarı iletken rölelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. .